湖北远安盐池河磷矿开采区稳定性评价

连志鹏，谭建民，李景富

（中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205）

湖北省远安县荷花镇磷矿资源丰富，是磷化重镇,全镇已探明可开采储量在1800万吨以上，镇内拥有磷矿开采、加工、销售企业20余家，集中分布于三个矿区——盐池河、桃坪河、殷家沟矿区。磷矿的开采，在区内形成大面积采空区，同时引发了一系列地质灾害。区内因磷矿开采引发的地质灾害共19处，其中崩塌（含危岩体）15处、不稳定斜坡2处、地面塌陷1处、泥石流1处，以中-大型为主。已造成284人死亡，84户320人搬迁，直接经济损失3628.5万元，现威胁328人以及矿山安全，威胁资产2478万元（由采矿产生的经济效益未参与计算）[1]。因此有必要对矿区内磷矿开采区进行稳定性评价。

1 磷矿开采区概况

1.1 开采范围

区内有规模的磷矿开采开始于1969年的盐池河磷矿，1975年扩大开采规模，1978年12月之后至1980年6月3日发生震惊全国的盐池河崩塌，在采空区地表及崩坍山体中先后出现地表裂缝10条。1980年6月3日晨，标高830 m的鹰嘴崖部分山体从700 m标高处俯冲到500 m标高的谷地，堆积在谷底宽缓河谷地带和崖下斜坡上，在山谷中形成南北长560 m、东西宽400 m、石块加泥土厚度20 m的堆积体，崩塌堆积的体积共100万方，最大的岩块重2700吨，并形成堰塞湖[2]。盐池河磷矿崩塌造成巨大的生命、财产损失，乱石块把磷矿区的五层大楼掀倒、掩埋，死亡284人，还毁坏了该矿的设备和财产，财产损失达2500万元。盐池河磷矿共采矿68万吨，形成采空区面积6.4万m2。

此后，区内相继大规模的磷矿开采，主要集中于秦家-砂磨头一带、猪米山-盐池河一带、鱼林溪沟两侧、神农河两岸。磷矿开采共形成采空区及其影响范围达19 km2。其中老采空区主要在秦家-砂磨头一带、盐池河附近，采空区影响面积3 km2，已停止开采。猪米山-盐池河一带、鱼林溪沟两侧、神农河两岸磷矿目前正在有规模、有次序的开采，根据矿山开采规划，现采空区及其将来可能形成的采空区范围如图1所示。

1.2 开采地层

矿区出露地层主要为前震旦系混合花岗岩（Anz），震旦系陡山沱组（Zbd）、灯影组白云岩（Zbdn）及下寒武统天河板组（C1t），石牌组（C1sn），水井沱组（C1s）灰岩夹砂质页岩。磷矿开采地层为陡山沱组（Zbd），该组地层岩性自下而上分别为:①灰黑色粉砂质页岩，为磷矿层直接底板，岩性比较软弱，易风化，极易变形；②磷矿层；③致密块状白云岩(厚6 m左右)；④薄至中厚层白云岩、白云质泥岩及砂质页岩夹磷矿，砂质页岩，节理发育，风化后呈鳞片状，遇水易软化，薄至中厚层板状白云岩，层间摩擦强度低；厚层块状白云岩，岩体完整。区内主要开采陡山沱组（Zbd）下部的磷矿层，矿层厚1～3 m（图2）。

图1 磷矿开采区范围平面图Fig.1 Floorplan of phosphate mining area of Yuan’an area,Hubei,China

1.3 开采方法

研究区内主要采矿方法为房柱法[3]，这种方法是将矿体划分为矿房和矿柱，分两类回采，先回采矿房后回采矿柱，在回采时期形成采空区，利用矿柱的支撑来控制地压力；在回采矿房时，采场临时留下的矿体主要起到工作台的作用，并对采场起到临时支撑的辅助作用。采用这类方法，在采空区形成之后，对矿柱的设计和要求比较高，所以在矿柱没有回采之前，采空区的地面变形相对较小。矿柱回采之后，下部没有矿柱的支撑作用，地面的变形就会加大，甚至塌陷。

图2 磷矿开采区工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological profile of phosphate mining area

1.4 采空区分布特征

区内采空区的分布特征与矿体的分布特征具有一致性，矿体呈似层状产出，矿洞大多分布于陡山沱组底部沿线，区内地层产状总体倾向东，巷道距地面的厚度由西向东逐渐增加。通过调查，在一个采空矿场的左、右随时可见到同样的采空矿场，标高有相同的，有错开的。大的采空矿场中留有保安矿柱，浅部采空矿场中的保安矿柱大多被盗采（大部分无保安矿柱）。

因此，采空区分布总体特征是似层状产出，采空区距地表的距离除井口处，总体上由西向东逐渐增大。

2 采空区变形机制分析

2.1 采空区地表变形特点

本区处于中低山地区，受地形地貌影响，地表变形有其相应的特点。与平原地区采空区地表变形以地面塌陷为主相比，区内采空区地表变形主要表现为山体开裂，形成危岩体或者崩塌。

通过调查分析，研究区内山体裂缝的发生发展过程及其空间展布一般具有如下特点[4]:

1、裂缝一般是在其下对应的地下采矿中段回采放顶后一段时间后形成的；

2、裂缝大都分布在采空区上方或采空与非采空区对应的边界部位；

3、裂缝出现的顺序与中段的回采顺序基本相同，裂缝的总体方向与采空区边界总体上一致。

这些特点，说明地表裂缝的形成与地下采矿有直接关系。

2.2 采空区地表变形成因机制

区内磷矿采矿方法大都为留规则矿柱的房柱法及全面采矿法，采用多平硐中央斜井联合开拓方案。回采顺序由上而下，每个中段按先里后外的矿房回采顺序。受磷矿层地层岩性控制，采场顶板为白云岩，比较稳定，但矿柱会发生片帮、崩裂现象，此外因底板为粉砂质页岩，岩性软弱，易变形破坏。随着对矿房的回采，中央斜井可能会发生比较严重的变形，使得顶板下沉，同时底板鼓起，巷道顶底板合槽，出现切穿矿层顶底板的裂缝[4]。

图3 采空区边界地段地应力高度集中Fig.3 Highly centralized stress at mining boundary

当地层内的局部矿体被开采出之后，在岩体内形成一个空洞，使其周围的应力平衡状态受到破坏，产生局部应力集中（图3）[5]。这也正是裂缝大都分布在采空区上方或采空与非采空区对应的边界部位的原因。据分析认为，地应力升高的来源有两个方面，一部分是采空区悬空岩体重量的转移，另一部分是采空区悬空顶板岩层的运动所形成。矿层的上覆岩层在应力作用下，发生变形、断裂、位移和冒落，这是一个十分复杂的物理、力学变化过程。在这个过程中，岩层产生移动和破坏，当弯曲岩层的底部悬露到一定跨度，达到极限时，在靠近磷矿层壁端岩层的上表面会首先产生开裂；继之，在跨度中央、岩梁(层)的下表面也发生开裂，进而引起采空区塌陷，造成地表变形。区内采空区的顶板岩层在自重力和其上覆岩层的压力作用下，产生向下的弯曲和移动。当顶板岩层内部所形成的拉张应力超过该层岩层的抗拉强度极限时，顶板首先发生断裂和破碎并相继冒落，接着是上覆岩层相继向下弯曲、移动，进而发生断裂，产生裂缝，破坏岩体的完整性。在陡崖地段使岩体孤立，加速卸荷，形成危岩体，在其它地质或外界因素影响下进而发生崩塌；在平缓地段形成地裂缝，进一步发生地面塌陷等地质灾害，盐池河崩塌就是先冒落、拉裂形成危岩体，受软弱夹层控制及三面临空的条件下，进一步滑移变形形成大规模崩塌的[4]。

3 稳定性分区评价

3.1 评价方法

采空区是否稳定看其对地表变形影响大小，主要表现为是否存在或发生地裂缝、地面沉降、地面塌陷、崩滑等地质灾害，以及将来是否可能发生地质灾害。因此本文以地质灾害的可能性来对采空区的稳定性进行分区评价。

影响采空区地表变形的因素很多，而开采深厚比（H/M）是综合反映开采矿层赋存条件的一种指标，在预测采空区地表变形评估中一般把开采深厚比作为考虑的一个重要因素。在定性评价中，用开采深厚比定量的判定采空区地面变形的强弱。开采矿层的埋藏深度和采厚比与采空区可能引起的地表变形关系密切，一般规律是，深厚比越小，地表变形表现也越强烈，变形影响越大，可能产生的危害也越大[6-7]。根据《地质灾害危险性评估规范》5.2.2条，采空区地表发生地质灾害可能性可以从开采深厚比（H/M）进行判定，若开采深厚比（H/M）小于120，则发生地质灾害的可能性较大[8]，具体划分见表1。

表1 采空区地质灾害发生可能性按开采深厚比判定[8]Table 1 Geologic harzards possibilty based on mining H/M value

3.2 稳定性评价

首先建立磷矿开采区内深厚比（H/M）等值线图。通过现场的详细调查，了解了采空区内地质环境特点，采空区内矿硐分布以及开采的基本情况，根据这些情况利用GIS软件模拟出采空区内磷矿层，再将磷矿层厚度与采空区内高程值进行叠加，得到了采空区开采深厚比值，采空区内深厚比（H/M）值范围为0～315，按40一根，大于200时不再细分的标准，将深厚比（H/M）值进行划分，从而得到区内开采深厚比（H/M）值等值线图（图4）。

由图4可知，地质灾害分布与采空区顶板埋深关系密切，多分布在开采深厚比小于120的范围内，深厚比大于200时，未发现地表变形迹象。依据表1地质灾害易发程度的判别标准，结合开采深厚比（H/M）等值线图，对采空区进行分区，并将其划分为三个区:Ⅰ—开采深厚比小于120区域，II—开采深厚介于120～200区域，Ⅲ—开采深厚比大于200区域。

根据上述原则，考虑地形地貌、地层岩性的影响，对采空区地表岩土体稳定性进行划分，得到采空区稳定性分区图（图5），从图中可以看出，磷矿开采区地表稳定性共分3个区域，各区的情况如下:

Ⅰ稳定性差区

磷矿开采深厚比（H/M）小于120，该区面积为10 km2，占采空区面积57.2%，沟谷斜坡地貌，一级斜坡区，地形坡度一般大于30°，多为陡崖，形成多个自由面；出露地层主要为震旦系陡山沱组（Zbd），岩性为灰黑色中厚层状、薄板状灰岩与炭质页岩互层，夹白云质灰岩，含隧石结核及磷矿层，岩性较脆，结构面发育，含软弱面。区内共发育地质灾害19处，其面密度为1.73处/km2，其中崩塌、危岩体15处，不稳定斜坡2处，地面塌陷1处、泥石流1处。总体上该斜坡稳定性差，地表易发生变形破坏，形成地质灾害，为地质灾害高易发区。

图4 远安县盐池磷矿开采区深厚比（H/M）等值线图Fig.4 Conture map of H/M in Yanchi Phosphate mining,Yuan’an，Hubei,china

图5 远安县盐池磷矿采空区稳定性分区图Fig.5 Stability partition of Yanchi Phosphate mine,Yuan’an,Hubei,China

Ⅱ稳定性较差区

磷矿开采深厚比（H/M）介于120～200，该区面积为6 km2，占采空区面积30.9%，沟谷斜坡地貌，位于坡肩，地形坡度一般大于30°，冲沟切割深，多形成陡崖；出露地层主要为震旦系灯影组（Zbdn），岩性为厚层状白云质灰岩。目前区内地表变形情况不明显，尚未发生地质灾害；但随着时间推移，下覆采空区顶板发生冒落，保安矿柱风化片帮，地表将可能发生变形，形成地裂缝，受地形控制，将会形成崩塌、地面塌陷等地质灾害。

Ⅲ稳定性较好区

磷矿开采深厚比（H/M）大于200，该区面积为2.2 km2，占采空区面积11.9%，地貌上为山顶斜坡地貌，地形坡度较缓，出露地层主要为下寒武统天河板组（C1t）、石牌组（C1sn）、水井陀组（C1s），岩性为灰岩夹砂质页岩。区内地表无变形情况，无采矿诱发地质灾害发生，地表受地下采空区影响小，稳定性较好。

4 结论与建议

通过上述论述可知，磷矿开采区内地质灾害都集中于稳定性差区内，该区地表变形明显，受采空区影响大，稳定性差，地质灾害高易发；稳定性较差区内，地表受采空区影响一般，地表变形不明显，虽尚未发生地质灾害，但随着采空区顶板及矿柱变形加剧，地表极可能发生变形，形成地质灾害，该区地质灾害中等易发；稳定性较好区内，地表受采空区影响小，山体斜坡稳定性较好。

根据对开采区稳定性评价结果，针对开采区的具体情况提出如下防治建议:

1、稳定性差区（Ⅰ区）:该区采空面积大，开采形成纵横交错的采场，保安矿柱不断受到破坏，形成跨度大的空腔，采场顶板岩层应力条件在不断发生变化，变形会逐渐波及到地表，形成地质灾害。由于采空区内巷道分布特征难以查清，如对地下进行处理，治理费用相当大，处理结果不一定能达到预期目的，且目前区内灾害体较多，地质灾害频发，地表稳定性差，因此应对此区实行移民政策，采取避让措施。

2、稳定性较差区（Ⅱ区）:该区相对Ⅰ区地下窿道相对稀疏，上覆岩层厚度较大，地表变形情况不明显，尚未引发地质灾害，地下巷道顶板变形破坏波及到地表时间相对要长，同样对地下巷道采取处理措施难度大，费用高，经济条件许可下进行搬迁避让为上策，如经济上不许可，可以对地表进行常年的动态观测，如发现地表产生大的变形，应及时采取相应措施，根据监测的结果分批搬迁。

[1]谭建民,连志鹏,等.远安县地质灾害详细调查[R].武汉地质调查中心,2011.

[2]荣建东.盐池河大型崩塌[J].地震,1981,(2):33－35.

[3]阮运斌.结合工程实例探讨磷矿的开采方法 [J].大科技,2012,(1):322－323.

[4]孙玉科,姚宝魁.盐池河磷矿山体崩坍破坏机制的研究[J].水文地质工程地质,1983,(1):1－7.

[5]张玉琪.论盐池河磷矿山崩的采矿技术因素及教训[J].化工矿山技术,1981,(5):1－7.

[6]张银洲,王鹏飞,杨喆.采空区地表变形与采深采厚比关系探讨[J].陕西煤炭,2011,(4):19－21.

[7]于远洋.矿区开采沉陷的稳定性评价[J].矿业安全与环境,2007,(2):39－41.

[8]国土资源部.地质灾害危险性评估规范(试行)[S].2008.